频率选择限制器

摘要

本公开涉及频率选择限制器，其具有设置在第一介电材料(44)上的第一磁性材料(42)以及设置在所述磁性材料上的带状导体(46，66)。在一些实施例中，频率选择限制器包括设置在所述带状导体上的第二磁性材料以及设置在所述第二磁性材料上的第二介电材料。第一介电材料和第二介电材料可以具有比第一磁性材料和第二磁性材料低的相对电容率。在一个实施例中，频率选择限制器包括慢波结构，所述慢波结构被设置成将由传播通过所述慢波结构的电磁能产生的磁场磁耦合到所述磁性材料中。

权利要求

1.一种频率选择限制器，包括：

具有相反的第一表面和第二表面的第一层介电材料；

具有相反的第一表面和第二表面的第一层磁性材料，所述第一层介电材料的所述第二表面设置在所述第一层磁性材料的所述第一表面上，所述介电材料具有比所述磁性材料低的相对电容率；

具有相反的第一表面和第二表面的第二层介电材料；

具有相反的第一表面和第二表面的第二层磁性材料，所述第二层介电材料的所述第一表面设置在所述第二层磁性材料的所述第二表面上；以及设置在所述第一层磁性材料和所述第二层磁性材料之间的带状导体；

第一接地平面和第二接地平面，所述第一接地平面设置在所述第一层介电材料的所述第一表面上，所述第二接地平面设置在所述第二层介电材料的所述第二表面上；

设置在所述第一层介电材料和所述第一层磁性材料之间的第一组导电垫以及设置在所述第二层介电材料和所述第二层磁性材料之间的第二组导电垫；以及设置在所述第一层介电材料内的第一组通孔以及设置在所述第二层介电材料内的第二组通孔；

所述第一层介电材料和所述第二层介电材料与所述第一层磁性材料和所述第二层磁性材料的组合包括具有输入阻抗Z0的慢波结构，当电磁能传播通过所述慢波结构时，阻抗周期性地从大于Z0的阻抗变为小于Z0的阻抗。

2.根据权利要求1所述的频率选择限制器，其特征在于，所述第一组通孔将所述第一接地平面联接至所述第一组导电垫并且所述第二组通孔将所述第二接地平面联接至所述第二组导电垫，以在所述慢波结构内形成低阻抗带状线部段和高阻抗带状线部段的交替部段。

3.根据权利要求2所述的频率选择限制器，其特征在于，所述低阻抗带状线部段和高阻抗带状线部段的交替部段耦合传播通过所述慢波结构的磁能并使其进入到所述第一层磁性材料和所述第二层磁性材料中，所述磁能具有高于预定功率阈值的功率电平。

4.根据权利要求1所述的频率选择限制器，其特征在于，所述频率选择限制器包括具有输入阻抗Z0的传输线，所述传输线包括设置在一对第二传输线部段之间的第一传输线部段，所述第一传输线部段具有高于Z0的阻抗ZH，所述一对第二传输线部段具有低于Z0的阻抗ZL，所述第一传输线部段包括所述带状导体的多个部分以及所述第一层磁性材料或所述第二层磁性材料的多个部分，所述一对第二传输线部段包括所述带状导体的多个部分、所述第一层磁性材料或所述第二层磁性材料的多个部分以及所述第一层介电材料或所述第二层介电材料的多个部分。

5.根据权利要求4所述的频率选择限制器，其特征在于，所述第一传输线部段和所述一对第二传输线部段各自具有比传播通过所述慢波结构的电磁能的标称工作波长短的长度。

6.一种频率选择限制器，包括：

磁性材料，所述磁性材料用于将由传播通过慢波结构的电磁能产生的磁场磁耦合到所述磁性材料中；

设置在所述磁性材料上的介电层，所述介电层具有比所述磁性材料低的相对电容率；

设置在所述介电层的第一表面上的接地平面；

设置在所述介电层和所述磁性材料之间的一组导电垫；

设置在所述介电层内的一组通孔，所述一组通孔将所述接地平面联接至所述一组导电垫，以在所述慢波结构内形成低阻抗微带部段和高阻抗微带部段的交替部段；以及所述慢波结构的输入阻抗为Z0，当所述电磁能传播通过所述慢波结构时，所述低阻抗微带部段和高阻抗微带部段的交替部段周期性地从大于Z0的阻抗变为小于Z0的阻抗。

7.根据权利要求6所述的频率选择限制器，其特征在于，所述低阻抗微带部段和高阻抗微带部段的交替部段耦合传播通过所述慢波结构的所述电磁能并使其进入到所述磁性材料中，所述电磁能具有高于预定功率阈值的功率电平。

8.一种频率选择限制器，包括：

第一层介电材料和第二层介电材料，所述第一层介电材料和所述第二层介电材料各自具有相反的第一表面和第二表面；

第一层磁性材料和第二层磁性材料；所述第一层磁性材料和所述第二层磁性材料各自具有相反的第一表面和第二表面，所述第一层介电材料的所述第二表面设置在所述第一层磁性材料的所述第一表面上，所述第二层介电材料的所述第一表面设置在所述第二层磁性材料的所述第二表面上，所述介电材料具有比所述磁性材料低的相对电容率；

设置在所述第一层磁性材料和所述第二层磁性材料之间的带状导体；以及慢波结构，所述慢波结构包括具有输入阻抗Z0的传输线，所述传输线包括第一传输线部段以及一对第二传输线部段，所述第一传输线部段具有高于Z0的阻抗ZH，所述一对第二传输线部段具有低于Z0的阻抗；

所述第一传输线部段包括所述带状导体的多个部分以及所述第一层磁性材料或所述第二层磁性材料的多个部分，所述一对第二传输线部段包括所述带状导体的多个部分、所述第一层磁性材料或所述第二层磁性材料的多个部分以及所述第一层介电材料或所述第二层介电材料的多个部分。

9.根据权利要求8所述的频率选择限制器，其特征在于，通过所述慢波结构，阻抗周期性地从大于Z0变为小于Z0。

10.根据权利要求8所述的频率选择限制器，其特征在于，所述频率选择限制器还包括第一接地平面和第二接地平面，所述第一接地平面设置在所述第一层介电材料的所述第一表面上，所述第二接地平面设置在所述第二层介电材料的所述第二表面上。

11.根据权利要求10所述的频率选择限制器，其特征在于，所述频率选择限制器还包括设置在所述第一层介电材料和所述第一层磁性材料之间的第一组导电垫以及设置在所述第二层介电材料和所述第二层磁性材料之间的第二组导电垫。

12.根据权利要求11所述的频率选择限制器，其特征在于，所述频率选择限制器还包括设置在所述第一层介电材料内的第一组通孔以及设置在所述第二层介电材料内的第二组通孔，所述第一组通孔将所述第一接地平面联接至所述第一组导电垫并且所述第二组通孔将所述第二接地平面联接至所述第二组导电垫，以在所述慢波结构内形成低阻抗带状线部段和高阻抗带状线部段的交替部段。

13.根据权利要求8所述的频率选择限制器，其特征在于，所述第一传输线部段和所述一对第二传输线部段各自具有比传播通过所述慢波结构的电磁能的标称工作波长短的长度。

说明书

频率选择限制器

[0001] 政府利益

[0002] 本发明是在由美国海军颁发的合同号为N00173-14-C-2020的政府支持下作出的。政府对本发明享有一定权利。

[0003] 相关申请的交叉引用

[0004] 本申请是于2013年11月12日提交的美国专利申请14/077.909号的部分延续申请，该美国专利申请的全部内容出于任何和所有目的通过引用并入本文。

技术领域

[0005] 本公开总体上涉及频率选择限制器。

背景技术

[0006] 如本领域中已知的，频率选择限制器(FSL)是非线性无源装置，其使高于预定阈值功率电平的信号衰减，同时使低于该阈值功率电平的信号通过。FSL的一个关键特征是限制高功率的频率选择性质：与受限信号频率接近的低功率信号不受影响。从这个意义上来说，FSL充当高Q(论证为>1000)陷波滤波器，其自动调谐以如图1A、图1B和图1C所示地使在窄频带内的高功率信号衰减，图1A、图1B和图1C示出了典型YIG FSL的频率选择性；图1A示出了对FSL的输入的频率响应，图1B示出了通过FSL的传输损耗，应注意到，输入信号中功率电平高于预定功率阈值电平PTH(图1A)的频率分量存在显著衰减，输入信号中功率电平低于预定功率阈值电平PTH的频率分量通过FSL而没有衰减(除了少量信号损失(电阻损耗，阻抗失配等))，并且图1C示出了多个弱信号和强信号的输出功率谱。对于FSL，功率阈值电平主要由铁氧体材料的结构设定。例如，单晶YIG材料是与多晶YIG相比提供更低功率阈值的铁氧体材料，而多晶YIG相比于六角铁氧体材料提供更低的功率阈值。这些材料之间的功率阈值差异大约为10-20dB，其中单晶YIG提供约0至+10dBm的最低功率阈值。如本领域中已知的，铁氧体FSL依赖于磁化铁氧体材料的非线性响应。当高于临界RF磁场水平，自旋进动角(spinprecession angle)在铁氧体中饱和，并且开始出现到更高阶自旋波的耦合。馈送到FSL的RF能量以大约一半的信号频率有效地耦合到自旋波，并随后转换成热量。

[0007] 限制的开始的阈值功率电平的范围从静磁波FSL的<-30dBm到辅助共振FSL中的多晶铁氧体的>40dBm。临界RF磁场与铁氧体材料的自旋波线宽成正比。通常使用液相外延(LPE)的钇铁石榴石(YIG)，这是由于其具有所有被测材料中最窄的自旋波线宽，约为0.2-0.5奥斯特(Oe)。这种单晶YIG方法提供对于弱信号最低的插入损耗、最高Q的滤波响应，并提供大约0dBm的功率阈值——共同使得该材料对各种应用最具吸引力。如图2所示，FSL的典型实现方式包括设置在使用两个YIG板或膜来介电的带状线微波传输结构中的一对接地平面导体之间的带状导体，以将干扰信号的磁能耦合到磁性材料中。如图所示，永久偏置磁体安装到该结构的侧部，或者可以安装到该结构的顶部和底部。该结构内的磁场强度确定了限制器的操作带宽。在导线(未示出)绕着整个结构缠绕以在垂直于带状线的方向上提供绕组的情况中，可以使用电磁体。DC电流流动通过绕组，以提供偏置磁场。该偏置被选择成确定限制器的操作带宽。由于难以生长厚的YIG膜，因此板厚度通常为100微米或更薄，这就需要大约20微米的带状线宽度来实现与50欧姆紧密匹配的输入阻抗Z0。这种方法易于制造并提供足够的磁场，以在使用单晶YIG材料时实现大约0dBm的临界功率电平。降低FSL的功率电平阈值的一种方法是使用输入阻抗较低(即，小于50欧姆)的带状线；但是，这以劣化的回波损耗为代价。因此，当使用输入阻抗较低的结构时，有时使用阻抗匹配结构来改善阻抗匹配；然而，这种技术降低了FSL的带宽并增加了插入损耗；这种方法减少了与用于弱信号的传输结构相关联的电阻损耗，并且略微增加了信号与铁氧体材料的磁耦合。

发明内容

[0008] 本公开涉及一种具有磁性材料和介电材料的组合的频率选择限制器。介电材料具有比磁性材料低的相对电容率或相对介电常数εr，这导致增强的微波传输线。在一个实施例中，这种设计通过增加信号与磁性材料的局部磁相互作用(magnetic interaction)来改善整体的频率选择限制器(FSL)性能，从而实现开始所需非线性行为的较低阈值。FSL可以以任何带状导体构型实现，包括但不限于微带(microstrip)构型、带状线构型或共面构型。

[0009] 在功率阈值较低的情况下，本公开还能够使用较低成本的材料(例如，代替单晶YIG而使用多晶YIG)，并且显著降低了与制造相关的复杂性。此外，利用所提出的结构使插入损耗保持较低，并且可以通过传输线结构中的设计变化而非改变介电材料的材料特性来调整FSL性能参数。通过使用一对低介电性衬底来补充一对磁性衬底，可以使用常见的制造技术来制造慢波FSL结构，而无需对磁性材料进行微机械加工或蚀刻，从而实现低成本解决方案。

[0010] 本文描述的系统可独立地或与另一特征组合地包括以下特征中的一个或多个。

[0011] 在一方面中，本公开涉及一种慢波结构，该慢波结构具有绕着磁性材料设置的介电材料的组合，以将由传播通过该慢波结构的电磁能产生的磁场磁耦合到磁性材料中。慢波结构具有输入阻抗Z0，当电磁能传播通过慢波结构时，阻抗可以周期性地从大于Z0的阻抗变为小于Z0的阻抗。

[0012] 在另一方面中，本公开涉及磁性材料、介电材料以及慢波结构的组合，介电材料绕着磁性材料设置，慢波结构被设置成将由传播通过慢波结构的电磁能产生的磁场磁耦合到铁磁性材料中。在一个实施例中，慢波结构是具有输入阻抗Z0的传输线。传输线包括设置在一对第二传输线部段之间的第一传输线部段。在一个实施例中，所述第一传输线部段具有高于Z0的阻抗ZH，所述一对第二传输线部段具有低于Z0的阻抗。在一些实施例中，第一传输线部段和所述一对第二传输线部段各自具有比传播通过慢波结构的电磁能的标称工作波长短的长度。

[0013] 在另一方面中，本公开涉及包括磁性材料、介电材料以及慢波结构的组合，介电材料绕着磁性材料设置，慢波结构被设置成将由传播通过慢波结构的电磁能产生的磁场磁耦合到铁磁性材料中。在一个实施例中，慢波结构是具有设置在一对第二传输线部段之间的第一传输线部段的传输线。所述第一传输线部段和所述一对第二传输线部段包括带状导体以及至少一个接地平面导体。磁性材料可以设置在所述带状导体和所述至少一个接地平面导体之间。

[0014] 在一些实施例中，带状导体包括设置在一对第二带状导体部段之间的第一带状导体部段。第一带状导体部段可以与设置在该第一带状导体部段上方的接地平面导体的一部分隔开第一距离D1。在一些实施例中，所述一对第二带状导体部段与设置在所述一对第二带状导体部段上方的接地平面导体的部分隔开第二距离D2，D1和D2是不同的距离。

[0015] 在另一方面中，本公开涉及一种包括磁性材料、介电材料以及慢波结构的组合，介电材料绕着磁性材料设置，慢波结构被设置成将由传播通过慢波结构的电磁能产生的磁场磁耦合到铁磁性材料中。在一些实施例中，慢波结构是具有设置在一对第二传输线部段之间的第一传输线部段的传输线。

[0016] 在一个实施例中，第一传输线部段和所述一对第二传输线部段包括带状导体以及一对接地平面导体。带状导体包括第一带状导体部段以及一对第二带状导体部段，第一带状导体部段设置在所述一对第二带状导体部段之间。在一些实施例中，第一带状导体部段与设置在第一带状导体部段上方和下方的所述一对接地平面导体的一部分隔开第一距离D1。所述一对第二带状导体部段可以与设置在所述一对第二带状导体部段上方和下方的接地平面导体的部分隔开第二距离D2，D1和D2是不同的距离。

[0017] 在另一方面中，本公开涉及频率选择限制器。频率选择限制器包括具有相反的第一表面和第二表面的第一层介电材料以及具有相反的第一表面和第二表面的第一层磁性材料。在一个实施例中，第一层介电材料的第二表面设置在第一磁性材料的第一表面上，介电材料具有比磁性材料低的相对电容率。带状导体设置在第一层磁性材料上。

[0018] 在一些实施例中，频率选择限制器包括具有相反的第一表面和第二表面的第二层介电材料以及具有相反的第一表面和第二表面的第二层磁性材料。第二层介电材料的第一表面设置在第二磁性材料的第二表面上，带状导体设置在第一层磁性材料和第二层磁性材料之间。

[0019] 在一个实施例中，第一层介电材料和第二层介电材料以及第一层介电材料和第二层磁性材料的组合包括具有输入阻抗Z0的慢波结构。阻抗在电磁能传播通过慢波结构时可以周期性地从大于Z0的阻抗变为小于Z0的阻抗。

[0020] 在一些实施例中，频率选择限制器包括第一接地平面和第二接地平面。第一接地平面设置在第一层介电材料的第一表面上，第二接地平面设置在第二层介电材料的第二表面上。频率选择限制器可以包括：设置在第一层介电材料和磁性材料之间的第一组导电垫以及设置在第二层介电材料和第二层磁性材料之间的第二组导电垫。

[0021] 在一个实施例中，第一组通孔设置在第一层介电材料内，第二组通孔设置在第二层介电材料内。第一组通孔将第一接地平面联接至第一组导电垫并且第二组通孔将第二接地平面联接至第二组导电垫，以在慢波结构内形成低阻抗带状线部段和高阻抗带状线部段的交替部段。低阻抗带状线部段和高阻抗带状线部段的交替部段耦合传播通过慢波结构的磁能并使其进入到第一磁性层和第二磁性层中。所述磁能可以具有高于预定功率阈值的功率电平。

[0022] 在一些实施例中，频率选择限制器是具有输入阻抗Z0的传输线。传输线包括设置在一对第二传输线部段之间的第一传输线部段。第一传输线部段可以具有高于Z0的阻抗ZH，所述一对第二传输线部段具有低于Z0的阻抗ZL。在一个实施例中，第一传输线部段和所述一对第二传输线部段各自具有比传播通过慢波结构的电磁能的标称工作波长短的长度。

[0023] 在另一方面中，本公开涉及频率选择限制器。频率选择限制器包括磁性材料以及设置在磁性材料上的介电层，磁性材料将由传播通过慢波结构的电磁能产生的磁场磁耦合到磁性材料中。在一个实施例中，介电层具有比磁性材料低的相对电容率。慢波结构可以具有输入阻抗Z0，在电磁能传播通过慢波结构时，阻抗可以周期性地从大于Z0的阻抗变为小于Z0的阻抗。

[0024] 在一些实施例中，接地平面设置在介电层的第一表面上。一组导电垫可以设置在介电层和磁性材料之间。此外，一组通孔可以设置在介电层内。在一个实施例中，所述一组通孔将接地平面联接至所述一组导电垫，以在慢波结构内形成低阻抗带状线和高阻抗带状线的交替部段。在一些实施例中，低阻抗带状线和高阻抗带状线的交替部段耦合传播通过慢波结构的电磁能并使其进入到磁性材料中。

[0025] 在另一方面中，本公开涉及包括第一层介电材料和第二层介电材料的频率选择限制器，第一层介电材料和第二层介电材料各自具有相反的第一表面和第二表面。频率选择限制器还包括第一层磁性材料和第二层磁性材料，第一层磁性材料和第二层磁性材料各自具有相反的第一表面和第二表面。第一层介电材料的第二表面设置在第一磁性材料的第一表面上，第二层介电材料的第一表面设置在第二磁性材料的第二表面上。在一个实施例中，介电材料具有比磁性材料低的相对电容率。带状导体可以设置在第一层磁性材料和第二层磁性材料之间。

[0026] 在一个实施例中，慢波结构是具有输入阻抗Z0的传输线，该传输线包括第一传输线部段和一对第二传输线部段，第一传输线部段具有高于Z0的阻抗ZH，所述一对第二传输线部段具有低于Z0的阻抗。在一些实施例中，阻抗可以在电磁能传播通过慢波结构时周期性地从大于Z0的阻抗变为小于Z0的阻抗。

[0027] 在一个实施例中，频率选择限制器包括第一接地平面和第二接地平面。第一接地平面设置在第一层介电材料的第一表面上，第二接地平面设置在第二层介电材料的第二表面上。第一组导电垫设置在第一层介电材料和磁性材料之间，第二组导电垫设置在第二层介电材料和第二磁性材料之间。

[0028] 在一个实施例中，第一组通孔设置在第一层介电材料内，第二组通孔设置在第二层介电材料内。第一组通孔将第一接地平面联接至第一组导电垫并且第二组通孔将第二接地平面联接至第二组导电垫，以在慢波结构内形成低阻抗带状线和高阻抗带状线的交替部段。在一个实施例中，所述第一传输线部段和所述一对第二传输线部段各自具有比传播通过慢波结构的电磁能的标称工作波长短的长度。

[0029] 本发明人已经认识到，虽然慢波结构(SWS)已被用于针对相同物理长度产生更大的时间延迟，但是他们利用SWS的特性来产生局部强磁场。所述结构产生局部强磁耦合，从而经由电气设计而非改变材料特性来降低有效功率阈值。此外，利用具有极低特性阻抗的周期性区段，本发明人增强了微波信号与磁性衬底(例如，YIG衬底)的磁相互作用，从而降低了非线性发生时的有效功率阈值，并且从而实现了用于开始所需非线性行为的较低阈值。这使得能够以与单晶YIG衬底类似的阈值和损耗性能使用低成本的多晶YIG材料，或者能够在与单晶材料一起使用时实现更低的阈值功率，以改善与感测接收架构的兼容性。另外，设计磁场的局部强度的能力使得能够在不改变材料本身的情况下设计出FSL的操作限制区域的FSL传输特性。此外，当使用长度相等的高阻抗区段和低阻抗区段并且其天然特性阻抗(native characteristic impedance)的乘积等于Z02时，复合传输线保持50Ω的特性阻抗。

[0030] 在一个实施例中，带状导体包括设置在一对第二带状导体部段之间的第一带状导体部段，第一带状导体部段与设置在第一带状导体部段上方和下方的一对接地平面导体的一部分隔开第一距离D1，所述一对第二带状导体部段与设置在所述一对第二带状导体部段上方和下方的接地平面导体的部分隔开第二距离D2，D1和D2是不同的距离。在该实施例中，带状导体宽度已被设定为最小化小信号插入损耗的常数，并且阻抗通过利用导电通孔改变接地平面的竖向距离来设定。虽然限制器与50.0Ω匹配，但慢波结构的众多低阻抗部段将明显更高的磁能耦合到磁性材料中，以局部地降低功率阈值。这降低了总的有效功率阈值，而不会劣化装置的回波损耗或瞬时带宽。带状导体宽度被设定为最小化小信号插入损耗的常数，并且阻抗通过利用导电通孔改变接地平面的竖向距离来设定。虽然整体FSL部件与50Ω匹配，但慢波结构的众多低阻抗部段将明显更高的磁能耦合到材料中，以局部地降低功率阈值。这降低了总的有效功率阈值，而不会劣化装置的回波损耗或瞬时带宽。

[0031] 应注意到，对于慢波结构，使用高阻抗区段和低阻抗区段的重复对，其中每个区段远小于波长(λ，其中λ是慢波结构的标称工作波长)(实际上，<(λ)/10，但越小越好)。由于所述区段在电学上小，因此整个传输线结构的有效阻抗是两个阻抗的乘积的平方根。这是期2
望乘积为Z0的原因。例如，结构可以具有100欧姆和25欧姆的阻抗区段；然而，10欧姆和250欧姆、或者甚至5欧姆和500欧姆可以是优选的。在此，困难的是实现>100欧姆的线；然而，通过最后的这个实施例，将竖向通孔用于低阻抗部段使得更容易实现>100欧姆的线，这是由于接地平面被远离带状导体部段移动来实现高阻抗而不需要使中心导体极小。

[0032] 此外，可以经由传输线结构的设计改变而非优化电介质的材料特性来调整FSL性能参数。在本文中，功率阈值现在是材料特性和传输线结构二者的函数。由于慢波结构的特征在于到磁性材料中的较强的磁耦合，实现相同磁场强度所需的RF功率更小，因此功率的有效阈值更低。另一个好处是能够设计特定的阈值功率。设计慢波结构来提供特定的磁场强度(因而提供阈值功率电平PTH)比调整磁性材料的材料特性要容易得多。

[0033] 此外，虽然螺旋慢波结构已被用作TWTA(行波管放大器)中的慢波结构以减速RF信号，使得速度与沿着管的长度行进通过螺旋中心的电子相同，以使得电子枪产生的电子终止于管的另一侧上，并且由于电子和RF信号以相同的速度行进，因此它们相互作用并且RF信号的强度在其沿着线圈行进时增大；本发明人已经认识到，可以使用螺旋结构来增强RF信号与螺旋的中心或芯部处的磁性材料的磁耦合，代替使RF信号与电子束相互作用，而是使RF信号与磁性材料相互作用，这种相互作用将导致自旋波，自旋波以RF信号的一半频率使磁性材料的晶体结构中的热量消散，以使信号衰减。这些自旋波使能量作为热量消散。

[0034] 应理解到，可以组合本文描述的不同实施例的元件，以形成上面没有具体阐述的其它实施例。在单个实施例的背景下描述的各种元件也可以被单独提供或以合适的组合提供。本文中未具体描述的其它实施例也在以下权利要求的范围内。

[0035] 在附图和以下描述中阐述了本公开的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本公开的其它特征、目的和优点将是明显的。

附图说明

[0036] 图1A、图1B和图1C示出了根据现有技术的频率选择限制器(FSL)的频率响应；图1A示出了FSL的输入信号的频谱；图1B示出了通过FSL的传输损耗，应注意到，输入信号中功率电平高于预定功率阈值电平PTH(图1A)的频率分量存在显著衰减，输入信号中功率电平低于预定功率阈值电平PTH的频率分量通过FSL而没有衰减(除了少量信号损失(电阻损耗，阻抗失配等))；并且图1C示出FSL对多个弱信号和强信号的输出功率谱；

[0037] 图2示出了根据现有技术的FSL；

[0038] 图3是根据本公开的FSL的分解等距视图；

[0039] 图4和图4A分别是根据本公开的另一实施例的FSL的示意性等距视图和横截面图；

[0040] 图5A至图5E是根据本公开的又一实施例的FSL的不同视图；图5A是具有形成在磁性衬底上的螺旋慢波结构的FSL的横截面图，衬底具有绕着其设置的螺旋圈导体，衬底被结合到介电板，介电板具有给FSL结构提供接地导体的金属迹线；图5B是磁性衬底的顶部的平面图；图5C是磁性衬底的底部的平面图；图5D是下部介电板的底部的平面图；以及图5E是具有图5A至图5D的螺旋慢波结构的FSL的示意性等轴测图；并且其中，图5A的横截面图是沿着图5D中的线5A-5A截取的，图5B的俯视图是由图5A中的线5B-5B指定的，图5C的仰视图是由图5A中的线5C-5C指定的，并且图5D的仰视图是由图5A中的线5D-5D指定的；

[0041] 图6是根据本公开的另一实施例的具有微带(microstrip)传输线的FSL的横截面图；

[0042] 图7是根据本公开的另一实施例的具有带状线传输线的FSL的端视图；

[0043] 图7A是沿着图7中的线7A-7A截取的FSL的横截面图。

[0044] 各附图中的相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

[0045] 现在参考图3，示出了频率选择限制器(FSL)10。限制器10是包括带状线微波传输线的慢波结构，带状线微波传输线具有从限制器10的输入到限制器10的输出的一系列不同的阻抗Z高和Z低。具体而言，如图所示，限制器10包括一对磁性构件，板12和14(在本文中例如是铁磁性板，诸如YIG板12和14)，板12和14具有夹在板与在磁性板12和14的外表面上的接地平面导体18及20之间的带状导体16。如图所示，带状导体16的宽度在宽度窄的部段16N和宽度较宽的部段16W之间变化。在本文中，慢波结构10具有50欧姆的输入阻抗Z0；窄的部段16N在本文中提供例如250欧姆的阻抗，较宽的部段16W在本文中提供例如10欧姆的阻抗。每个部段的长度小于进入FSL的电磁能的标称工作波长。每个部段的阻抗由该部段的带状导体的宽度确定。较宽的部段16W和窄的部段16N的尺寸和间距给慢波结构提供50欧姆的输入阻抗Z0。因此，在本文中，当电磁能传播通过慢波结构10时，窄的部段16N和较宽的部段16W的阻抗周期性地从大于Z0的阻抗变为小于Z0的阻抗。应注意到，一对传统的偏置磁体11(在本文中例如为永磁体)被安装到该结构的侧部。永久偏置磁体11可以被安装到该结构的顶部和底部。该结构内的磁场强度确定了限制器的操作带宽。在导线(未示出)绕着整个结构缠绕以在垂直于带状线的方向上提供绕组的情况中，可以使用电磁体。DC电流流动通过绕组，以提供偏置磁场。该偏置被选择成确定限制器的操作带宽。

[0046] 慢波结构10将慢波结构10的具有较高功率电平(高于预定FSL功率阈值PTH的功率电平)的输入干扰信号的磁能耦合到磁性板12和14的磁性材料中。换言之，慢波结构10用于将传播通过慢波结构的电磁能产生的磁场磁耦合到磁性板12和14中。

[0047] 现在参考图4和图4A，示出慢波结构FSL 10'。限制器10'是包括带状线微波传输线的慢波结构，该带状线微波传输线具有从限制器10'的输入到限制器10'的输出的一系列不同的阻抗Z高和Z低。具体而言，如图所示，限制器10'包括两对磁性板12a和12b以及14a和14b，其具有夹在板与铁磁性板12a和14a的外表面上的接地平面导体18和20之间的带状导体16。

[0048] 具体而言，如图所示，磁性材料(在本文中例如铁磁性板12a)具有位于其外表面上的接地平面导体18以及位于其内表面上的由区域27a侧向隔开的一系列导电垫21。如图所示，导电垫12通过导电通孔22连接到接地平面导体18，所述导电通孔22穿过导电垫21与接地平面导体18之间的板12a。

[0049] 如图所示，铁磁性板12b设置在带状导体16的上表面和导电垫21之间。

[0050] 类似地，磁性板14a在本文中例如也为铁磁性板，如图所示，其具有位于其外表面上的接地平面导体20以及位于其内表面上的由区域27a侧向隔开的一系列导电垫23。如图所示，导电垫23通过导电通孔25连接到接地平面导体20，所述导电通孔25穿过导电垫23与接地平面导体20之间的板14a。

[0051] 如图所示，铁磁性板14b设置在带状导体16的底表面和导电垫23之间。

[0052] 应注意到，导电垫21、23各自(并因此实际上电连接的接地平面导体18和20)与带状导体16之间的距离D1小于带状导体16与区域27a和27b中的接地平面导体18和20之间的距离D2。因此，区域27a和27b中的阻抗Z高大于具有导电垫21和23的区域中的阻抗Z低。因此，在本文中，慢波结构10'具有50欧姆的输入阻抗Z0；区域27a和27b在本文中提供例如为250欧姆的阻抗，并且通过导电垫21和23的区域在本文中提供例如为10欧姆的阻抗。尺寸和距离D1及D2提供给慢波结构提供50欧姆的输入阻抗Z0。因此，当电磁能传播通过慢波结构10'时，慢波结构10'的阻抗周期性地从大于Z0的阻抗变为小于Z0的阻抗。每个部段的阻抗由距离D1和D2确定。

[0053] 在该实施例中，带状导体16的宽度被设定为使小信号(small-signal)插入损耗最小化的常数，而阻抗通过利用通孔22改变接地平面18和20的竖向距离来设定。虽然整个FSL部件与50Ω匹配，但慢波结构的众多低阻抗部段将明显更高的磁能耦合到铁磁性板中，从而局部地降低了功率阈值PTH。这降低了总的有效功率阈值，并且还不会使装置的回波损耗或瞬时带宽劣化。现在参考图5A至图5E，示出了FSL的另一个实施例。在本文中，如图所示，FSL是螺旋慢波结构10'，其具有由磁性衬底30(在本文中为铁磁性(例如YIG)衬底)制成的磁性本体30。衬底30提供用于螺旋导体或线圈32的磁芯。由于来自线圈32中相邻匝的加强，螺旋导体32用于在铁磁性材料中心或芯部30内产生强磁场。线圈32被实现有导电通孔34，以将线圈32的顶侧连接到线圈32的底侧。由于线圈外侧的磁场相对小，因此在线圈结构32外侧具有额外的磁性衬底(例如，YIG衬底)(未示出)可能是不利的。在一种应用中，线圈的接地参考包括被限定在支撑介电板38的底侧上的金属迹线36。介电板38被结合到磁性本体30的底部，借此支撑介电体附接至到容纳线圈32的铁磁性芯体(或衬底)。在这个应用中，介电板38的介电材料是非磁性材料，诸如FR-4或Rogers Corporation的Rogers CT层压材料。
在一种应用中，当静态磁场和RF感生磁场平行时，实现最低临界场。

[0054] 应注意到，包括一对偏置磁体11，在本文中为永磁体。该结构内的磁场强度确定限制器的操作带宽。线圈结构被定向为垂直于由磁体11产生的磁场的轴向方向。对于偏置的情况，应注意到，永磁体11设置在线圈的任一端上，而不是沿着侧部或者顶部和底部设置。

[0055] 现在参考图6，频率选择限制器40包括设置在介电材料44上的磁性材料42，该介电材料44又设置在接地平面50上。磁性材料42具有相反的第一表面42a和第二表面42b，介电材料44也具有相反的第一表面44a和第二表面44b。在图6的说明性实施例中，磁性材料42的第二表面42b设置在介电材料44的第一表面44a上。带状导体46设置在磁性材料42的第一表面42a上，使得接地平面50、介电材料44和磁性材料42形成微带传输线结构。

[0056] 在一个实施例中，介电材料44具有比磁性材料42低的相对电容率或相对介电常数εr。在一些实施例中，磁性材料42可以被提供为铁磁性材料，诸如钇铁石榴石(YIG)，介电材料44可以被提供为非磁性材料，诸如FR-4层压材料或Rogers Corporation的Rogers CT层压材料(例如，RO 4003层压体)。当然，也可以使用具有类似机械和电气特性的其它材料。例如但不限于，磁性材料42可以被提供为单晶YIG、多晶YIG、六角铁氧体YIG或各种掺杂的YIG材料。另外且不限于，介电材料44可以包括具有低相对电容率(即，相对介电常数小于4)的任何材料。在一些实施例中，介电材料44可以被提供为铝或低温共烧陶瓷(LTCC)。

[0057] 导电通孔54a-54x可以设置成穿过介电材料42并且将接地平面50至少电联接至设置在磁性材料42的第二表面42a与介电材料44的第一表面44a之间的第一组导电垫52。导电通孔54a-54x可以与邻近或相邻的导电通孔54间隔预定距离。在一个实施例中，每个导电通孔54a-54x与至少一个导电垫52对准。在一个实施例中，导电通孔54a-54x可以如此形成，使得它们垂直于接地平面50和带状导体46所处的平面。

[0058] 在一个实施例中，区域56形成在每个导电垫52之间。区域56可以包括已经在制造期间回流到形成在每个导电垫52之间的间隙(即，区域56)中的介电材料44的部分。在一些实施例中，区域56包括将介电材料44结合到磁性材料42的粘合材料。例如，粘合材料可以被提供为与以介电材料44提供的相同材料的较低熔化温度型式。在其它实施例中，区域56可以被提供为与以介电材料44提供的材料不同的介电介质。

[0059] 在一些实施例中，导电垫52中的每个可以包括设置在至少一个表面上的粘合材料，以将每个导电垫52粘附至磁性材料42。粘合材料可以在导电垫52上形成为非常薄(例如，厚度在约0.5密耳至约2密耳的范围内)的层。应当理解到，一旦选择了特定组的材料，本领域普通技术人员将理解到如何将介电层44粘附到磁性材料层。

[0060] 导电通孔54a-54x可以操作为频率选择限制器40内的低阻抗部分的接地平面。例如，在图6的说明性实施例中，导电通孔54a-54x在频率选择限制器40内形成低阻抗微带传输线和高阻抗微带传输线的交替部段。在一个实施例中，频率选择限制器40中的低阻抗部段的数量等于高阻抗部段的数量。

[0061] 在一个实施例中，特定系统的特性阻抗确定低阻抗部段和高阻抗部段之间的阻抗阈值。例如，阻抗小于系统的特性阻抗的部段可以是低阻抗部段，阻抗大于系统的特性阻抗的部段可以是高阻抗部段。在一个实施例中，对于特性阻抗为50欧姆的系统，低阻抗部段是指阻抗小于50欧姆的部段。在所述实施例中，高阻抗部段是指阻抗大于50欧姆的部段。当然，其它系统可以具有大于50欧姆或小于50欧姆的特性阻抗(例如，40欧姆或60欧姆的特性阻抗可能是期望的)。在一个示例性实施例中，低阻抗部段具有小于30欧姆的阻抗，而高阻抗部段具有大于75欧姆的阻抗。

[0062] 因此，在一个实施例中，频率选择限制器40是慢波结构，其具有微带微波传输线并且具有从频率选择限制器40的输入到频率选择限制器40的输出的一系列不同的阻抗Z高和Z低。

[0063] 在一些实施例中，一对邻近或相邻的部段(即，一个低阻抗部段和一个高阻抗部段)形成单元(unit cell)。每个单元之间的间隔可以相同或大致相似。例如，每个单元可以具有相等的长度和宽度。单元的长度和宽度可以基于频率选择限制器40的特定操作频率或操作频率范围来选择。例如，在一个实施例中，每个单元可以具有约40密耳的长度，这提供了频率高达约5GHz的有效操作。在其它实施例中，每个单元可以具有约20密耳的长度，这提供了频率高达约10GHz的有效操作。

[0064] 在一些实施例中，每个导电垫52的长度(即，平行于带状导体46的长度的尺寸)可以等于其对应单元的长度，或者约为其对应单元的长度的一半。例如，在长度为约20密耳的单元的实施例中，相应的导电垫54的长度为约10密耳。

[0065] 每个导电垫52可以被提供成具有足够宽以支撑微带(或带状线)传输线模式的宽度(即，垂直于带状导体46的长度的尺寸)。例如，在一些实施例中，每个导电垫52可以被提供成宽度为相应的导电垫52与带状导体46之间的距离的至少三倍。

[0066] 在一些实施例中，导电通孔54a-54x中的每个的宽度(例如，沿着与在其上第一组导电垫52设置在磁性材料42的第二表面42a与介电材料44的第一表面44a之间的平面平行的平面的尺寸)可以被提供成小于相应的导电垫52的最小尺寸(即，长度或宽度)。

[0067] 在一个实施例中，导电垫52中的每个具有相同或大致相似的尺寸，并且导电通孔54a-54x中的每个具有相同或大致相似的尺寸，因此频率选择限制器40可以被提供为大体对称的结构。

[0068] 在一个实施例中，频率选择限制器40内的阻抗可以通过改变接地平面与带状导体46之间的竖向距离来设定或控制。例如，导电垫52(即，充当导电垫52所联接到的接地平面)与带状导体46之间的距离D1小于没有设置导电通孔54的区域56中的接地平面50与带状导体46之间的距离D2。因此，区域56中的阻抗Z高大于具有导电垫52的区域中的阻抗Z低。

[0069] 低阻抗微带线和高阻抗微带线的交替部段将传播通过慢波结构的磁能耦合到磁性材料42中。在一个实施例中，功率电平高于或等于频率选择限制器40的预定功率电平阈值的磁能被耦合到磁性材料42中。频率选择限制器40中的磁性材料42和介电材料44的组合增加了磁能到磁性材料42中的磁耦合。例如，多个低阻抗微带传输线将明显更高的磁能耦合进磁性材料42中，从而降低总的有效功率阈值。

[0070] 现在参考图7和图7A，在图7和图7A相同的元件具有相同的附图标记，频率选择限制器60包括绕着带状导体66设置的一对磁性材料62和63以及一对介电材料64和65，其中介电材料64和65中的第一个设置在磁性材料62和63中的第一个上，介电材料64和65中的第二个设置在磁性材料62和63中的第二个上。在一个实施例中，频率选择限制器60被提供为具有带状线传输线结构的多层频率选择限制器结构。例如，带状导体66设置在第一磁性材料62的表面62b和第二磁性材料63的表面63a之间。第一介电材料64的第二表面64b设置在第一磁性材料62的第一表面62a上。第一接地平面70a设置在第二介电材料64的第一表面64a上。此外，第二磁性材料63的第二表面63b设置在第二介电材料65的第一表面65a上。介电材料65的第二表面65b设置在第二接地平面70b上。

[0071] 在一个实施例中，频率选择限制器60包括两组导电垫72和73。所设置的每组导电垫可以设置在磁性材料62和63以及介电材料64和65之间。例如，如图7所示，第一组导电垫72设置在介电材料64的第二表面64b和磁性材料62的第一表面62a之间。此外，第二组导电垫73设置在磁性材料63的第二表面63b和介电材料65的第一表面65a之间。

[0072] 如在图7A中可以最清楚地看到的，两组导电通孔74a-74d和75a-75d被设置成穿过介电材料层64和65中的相应介电材料层设置。导电通孔74a-74d和75a-75d中的相应导电通孔将导电垫72a-72d和73a-73d中的相应导电垫电联接至接地平面70a和70b中的相应接地平面。为了改变呈现给沿着由带状导体66和接地平面形成的带状线传输线传播通过频率选择限制器60的RF信号的阻抗，可以控制接地平面70a和70b与带状导体66之间的竖向距离。

[0073] 在图7A的说明性实施例中，布置成穿过介电材料64和65中的相应介电材料的导电通孔74a-74d将接地平面70a和70b中的相应接地平面电联接至导电垫72a-72d和73a-73d中的相应导电垫，从而在频率选择限制器60内形成低阻抗带状线部段76和高阻抗带状线部段78的交替部段。因此，在一个实施例中，频率选择限制器60是具有微带微波传输线的慢波结构，所述微带微波传输线具有从频率选择限制器60的输入到频率选择限制器60的输出的一系列不同的阻抗Z高78和Z低76。

[0074] 低阻抗带状线76和高阻抗带状线78的交替部段将传播通过慢波结构的磁能耦合到成对的磁性材料62和63中。

[0075] 在一个实施例中，使用具有极低特性阻抗的交替(即，周期性)区段(例如，阻抗小于系统特性阻抗的低阻抗带状线76)，信号与磁性材料62和63的磁相互作用增强。磁性材料62和63以及介电材料64和65的组合可以将较强的磁场耦合到低阻抗带状线部段76中的磁性材料62和63中。因此，在频率选择限制器60出现非线性时的有效功率阈值被降低。在一个实施例中，通过降低引起非线性行为所需的功率电平，频率选择限制器60为甚至更低的输入功率电平提供保护。例如，在功率阈值约为10dBm的实施例中，约5dBm的干扰信号仍可能引起问题。然而，具有约0dBm的降低的功率阈值电平的频率选择限制器60将提供保护以免于相同的5dBm干扰信号。

[0076] 在一个实施例中，带状导体66的宽度被设定为减小(并且理想地最小化)小信号插入损耗的常数，阻抗通过改变接地平面70a和70b的竖向距离并因此改变导电通孔74a-74d和75a-75d的长度来设定。例如，在低阻抗带状线76中，第一接地平面70a和第二接地平面70b更靠近带状导体66(以提供更高的电容，因而提供更低的阻抗)；并且在高阻抗带状线78中，第一接地平面70a和第二接地平面70b更远离中心带状导体66并具有较低的有效介电常数(磁性材料62和63与介电材料64和65的组合的函数)，从而提供更高的阻抗。

[0077] 频率选择限制器60的输入端口和输出端口处的阻抗可以与期望的特性阻抗(例如，包括FSL的系统的特性阻抗，诸如50Ω的特性阻抗)匹配。然而，慢波结构的众多低阻抗部段同时将明显更高的磁能耦合到磁性材料62和63中，从而局部地降低功率阈值(PTH)。例如，当频率选择限制器60的一个部段具有低阻抗时，射频(RF)信号的磁场高于频率选择限制器60的具有高阻抗的区段。因此，本文描述的FSL结构能够降低总的有效功率阈值，而不会劣化装置的回波损耗或瞬时带宽。

[0078] 在一个示例性实施例中，频率选择限制器60形成为具有两层100微米厚的多晶YIG作为磁性材料62和63，以及两层60密耳厚的Rogers 4003作为介电材料64和65。第一接地平面70a设置在第一介电材料64的第一表面64a上。第一介电材料64的第二表面64b设置在第一磁性材料62的第一表面62a上。带状导体66设置在第二表面62a和第二磁性材料63的第一表面63a之间。第二磁性材料63的第二表面63b设置在第二介电材料65的第一表面65a上。第二介电材料65设置在第二接地平面70b上。

[0079] 在这种实施例中，当使用YIG接地平面(即，导电垫72和73)时，从宽度约为175微米的带状导体(即，Z低76)提供传输线的二十(20)欧姆部段，而当使用位于介电材料64和65(例如，Rogers材料)的外侧部分上的接地平面70a和70b时，50微米宽的带状线导体(即，Z高78)实现120欧姆的阻抗。

[0080] 在一个实施例中，带状线区段长度76和78被形成为在电学上小，诸如小于波长(λ，其中λ是频率选择限制器60的标称工作波长)。例如，在一个实施例中，带状线区段长度76和78被形成为小于波长的1/10(在最大操作频率下<(1/10)(λ))，这导致49欧姆的特性阻抗以及1.43的慢波系数。因此，如果使用50欧姆的线，则由低阻抗区段76产生的增加的磁场强度更早地通过在介电材料64和65(即，YIG材料)中激活自旋波来降低频率选择限制器60的功率阈值。

[0081] 在一些实施例中，导电通孔74及75和接地平面70a及70b可以通过在介电材料64和65上或者在介电材料64和65上内制造来形成，因此不需要对介电材料64和65进行微机械加工或蚀刻。

[0082] 已经描述了本公开的许多实施例。尽管如此，将理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，可以通过利用接地平面高度和中心导体线宽度来改变高阻抗线和低阻抗线。在另一个螺旋慢波实施例中，可以通过将线圈放置在金属容器屏蔽内并使线圈和金属屏障之间具有空气或介电间隙来呈现接地平面参考。

[0083] 因此，其它实施例在以下权利要求的范围内。